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基于双目视觉定位的机械臂控制系统
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自动机械臂定位精度分析
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&&针对某种自动机械臂的控制进行了研究,该系统主要由控制单元、执行机构、测量单元及显示单元4部分组成。介绍了控制系统的工作原理,建立了机械吊臂数学模型,对转载过程中机械臂的定位精度进行了计算分析,在最大工作距离5 m范围内,机械臂定位标准差小于10 mm,达到了较高的精度,为自动转载系统的工程实现奠定了理论基础。
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你可能喜欢各国发展/空间机械臂
人类进入太空的初期，只拥有简单的飞船和不具备再补给能力的第一代空间站，空间科学应用的规模和层次都受到了很大的限制。随着载人航天的继续发展，苏联礼炮六号等空间站开始具备了使用货运飞船再补给的能力，不过两者直接对接，显然不需要复杂的空间机械臂系统辅助工作。加拿大20世纪70年代美国航天飞机开始研制，1981年航天飞机开始发射升空，航天飞机上携带了一套由加拿大斯巴宇航公司(SPARAerospace)研制的六自由度机械臂系统，一般称之为航天飞机遥控机械臂系统(SRMS)或是加拿大机械臂一(Canadarm1)。加拿大机械臂总长度15.2米、直径0.38米，自重410千克，加拿大机械臂最初具备部署释放或是抓取332.5千克载荷的能力，20世纪90年代中期加拿大机械臂系统升级负荷质量以支持空间站建设工作。加拿大机械臂早在1981年的STS-2任务中就正式登场，航天飞机曾在50多次飞行任务使用加拿大机械臂。加拿大机械臂作为空间机械臂的开路先锋，显示了机械臂广阔的使用范围和巨大的发展潜力，极大促进了空间机械臂的发展，此后的美苏空间站设计都带有空间站机械臂，其中尤其著名的就是国际空间站上的空间站遥控机械臂系统(SSRMS)。SSRMS又称加拿大机械臂二，在通过航天飞机部署到国际空间站后，在空间站的建设、维护、补给和使用的过程中中发挥了不可缺少的作用，加拿大航天局也因此获得了国际空间站3%的使用权。加拿大机械臂2性能强大，但同样花费不菲，从1984年自由号空间站提出到它运抵国际空间站开始工作，加拿大航天局在该项目上投资高达10亿美元。德国1993年德国宇航中心研制并成功发射的小型空间机器人系统ROTEX，它有6个自由度，安装有各类传感器和执行器，能够在1m的运动范围内进行指定的操作。2007年进行了Inspector系列自由飞行机器人的研究。欧洲在“国际空间站”的俄罗斯舱和日本舱装配了两个大型空间舱外机器人系统，即欧洲航天局资助研制的欧洲机械臂(ERA)(长11m,7个自由度)和日本实验舱机械手系统(JEMRMS)(长10m,6个自由度,末端安装一个2m长的6自由度小型灵巧机械臂)。日本1997年，日本发射的工程试验卫星2VII(ETS2VII)是国际上第一个自由飞行空间机器人系统，其机械臂长214m，有6个自由度，配有摄像机及辅助工具，末端安装有长约15m的三指灵巧机器手系统，整个机器人系统重约45kg。它首次尝试了无人情况下的自主交会对接和舱外空间机器人遥操作试验，演示了多自由度、多传感器机械手用于空间精密在轨服务的可能性，并验证克服大时延和通信能力有限的遥操作技术。中国中国载人航天工程的空间站项目开始启动后，中国航天科技集团五院和八院等多家单位都开始了空间站机械臂的论证和研究工作。2005年五院就开始了空间站机械臂的研究，当时机械臂新技术比例超过80%，而且在保障控制定位精度的同时进行远程控制，还要具备视觉识别和自主分析避障能力。加拿大机械臂2能自动移动到目标毫米级别的距离上，系统技术难度可想而知，再加上空间机械臂既没有国内资料参考，也无法获得国外技术输入，研究过程可谓困难重重。航天五院科研人员迎难而上，面对这一多学科一体化的复杂系统，集中本院的相关资源，并联合国内相关高校和科研院所，统筹规划组建了空间站机械臂项目团队开展研制工作。2005年到2006年，机械臂团队自主开展了六自由度小型机械比研制工作，2007年到2008年开始研制载人航天工程三期空间站的机械臂原理样机，并在2008年完成了研制工作，解决了总体设计和分系统设计等一系列难题。随着我国空间站任务和设计的重新定位，对空间站机械臂的定位精度尤其是可达范围提出了更高的要求，于是五院空间站机械臂团队提出了研制更为复杂的七自由度荣誉机械臂的设想，使机械臂能够类似同样七自由度的加拿大机械臂2那样具备自主“爬行”能力，与航天八院的设计方案拉开了距离，奠定了竞争胜利的基础。经过长时间的预研和最后的激烈竞争，2012年航天科技集团五院最终获得了空间站机械臂项目，在珠海航展上展出。航天五院的七自由度冗余机械臂长10米、最大负载25吨，在轨运行10年以上，可满足中国建造、维护和使用大型长期有人照料空间站的需求。2014年9月，中国航天科技集团公司一院18所完成了空间机械臂的详细方案设计及单关节的装配调试，标志着该所已初步掌握空间机械臂设计、制造、试验的关键技术。该所此次研制的空间机械臂由一个臂展和6个关节组成，非常灵活，可以全方位进行目标捕获和操作。该所已实现空间机械臂的机电一体化设计，并可进行微重力环境下的地面模拟试验。后续，该所将针对空间机械臂的控制方法进行深入研究，使其能够准确进行目标的捕获。
主要用途/空间机械臂
空间机械臂具有广泛丰富的用途和强大灵活的功能，空间站机械臂作为未来空间站的大型空间设备，不仅是空间站建设、维护和使用的关键设备，也将提高空间科学应用的规模和水平，还将提高我国控制、电子、空间润滑以及自主规划等相关技术领域的发展。投入使用的太空机械臂中，国际空间站上的“加拿大臂2号”在尺寸和复杂度上堪称第一图册1、空间机械臂可以用来实现对于空间静止或移动目标的观察、监视，即通过精度定位或运动，使得机械臂上所安置的视觉系统能够准确地捕获、跟踪需要观察或监视的目标，对其进行照相或摄像。2、空间机械臂是在轨维护与建设的支撑性技术。通过该技术，利用机械臂的定位功能，通过不同形势手爪的使用，完成对于航天器舱内和舱外不同目标的拾取、搬运、定位和释放。通过在轨自主操作与遥操作相结合的技术，实现空间站或其它轨道器内部的无人情况下的复杂试验动作；由航天员进行舱内外的抓取、搬运、维修等操作，或者作为航天员或大型构件的支撑，协助航天员完成在轨建设或维修项目。3、空间机械臂是月球及深空探测所必须的支撑性技术。月球及深空探测只要在目标上着陆，就会有一项重要的任务———取样。完成这项任务，往往需要机械臂对取样目标进行近距离的观察、分析、选择;之后,对其进行清理、拾取、搬运和装载。此外,有时候还需要对观察或探测目标进行研磨、钻探等，这些工作是离开机械臂所无法完成的。空间机械臂最直接的用途是通过捕捉运输飞船进行自动化精密对接，这样就比以前的人工对接或自动对接快速得多、效率高得多。截至2014年，中国采用的基本是自动对接和手控对接两种方式，但在快速对接上远落后于俄罗斯和美国，恰恰这一块就是由空间机械臂实现的。因此，中国新研制的空间机械臂将大有作为。
技术牵引/空间机械臂
空间机械臂对于带动国家相关基础工业与高新技术的发展，提升空间机电系统的技术能力有重要作用。1、为了适应复杂恶劣的空间环境，特别是舱外的机构和电子元件所处的环境更为严酷，对材料、电子器件、轴承、热控材料、润滑剂等基础工业方面提出了较高的要求。2、为满足多学科、多系统高度集成的要求，系统的体积重量要求尽可能的小、精度要求尽可能高，这对于航天器的一体化设计技术是一项很大的挑战。3、由于机械臂是一个以运动为核心的空间机电系统，因此，它对空间精密驱动与控制技术的提高会起到很大的推动和提升作用，由此可以带动空间电机、空间传动、空间精密位置、速度测量、伺服控制等多项工程技术的发展4、由于空间机械臂特殊的动力学特性，将可以大大促进空间机构的运动规划与仿真、多体非线性动力学分析与仿真技术的发展。空间机械臂作为空间机电技术的综合载体，通过研究与发展该项技术，对于我国空间机电技术和相关产业与技术的发展有着很大的促进与提升作用。随着空间机械臂技术的提高，将促进中国空间科学试验、空间维护与建设、深空探测等空间技术的发展。
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